纤维增强泡沫混凝土的性能试验研究

马晓宁，王 娟

( 榆林职业技术学院，陕西榆林 719000)

泡沫混凝土由于具有轻质、保温和隔热耐火等特性而在现代化建筑中得到了广泛应用［1-2］。然而，目前市场上常见的泡沫混凝土还存在韧性较差、强度较低以及在极端环境下的抗冻性能较差等问题［3-5］。本文拟选取熔点较低的聚乙烯醇纤维为原料，考察其添加量对于聚乙烯醇纤维增强泡沫混凝土的力学性能、干缩性能和抗冻性能的影响，结果有助于新型泡沫混凝土的开发，并有助于推广其在现代化建筑工程中应用。

1 材料与试件制备

以P.O 42.5 水泥( 比表面积400.8m2/kg，密度2.99 g/cm3，初凝时间和终凝时间分别为98min 和158min，28d 抗压强度为53.8MPa）、硅灰（粒径0.8 微米的占比82%，二氧化硅含量95.6%)、DN-10 发泡剂(pH=8，1h沉降距和泌水率分别为43mm 和60%）和聚乙烯醇纤维（直径15mm，抗拉强度960MPa，断后伸长率6%，密度1.29g/cm3）为原料制备纤维增强泡沫混凝土。

根据JGJ/T 341-2014《泡沫混凝土应用技术规程》，按照表1 的聚乙烯醇纤维增强泡沫混凝土的配合比制备试件，最后加入泡沫搅拌均匀后倒入模具中，刮平处理后用保鲜膜覆盖进行24h 硬化处理，然后转入养护室中进行标准养护处理。

表1 聚乙烯醇纤维增强泡沫混凝土的配合比Table 1 Mixture ratio of PVA fiber reinforced foam concrete

根据JG/T 266-2011《泡沫混凝土》测试泡沫混凝土的干密度、吸水率和室温抗压强度；根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》测试泡沫混凝土的抗折强度；根据GB/T 11973-1997《加气混凝土抗冻性试验方法》进行抗冻性能测试；根据GB/T 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》进行干缩收缩测试；根据GB/T 10294-2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定 防护热板法》进行导热系数测定；采用Zeiss-Sigma 500 型场发射扫描电镜对显微形貌进行观察。

2 结果及讨论

表2 为不同聚乙烯醇纤维含量的泡沫混凝土的抗压强度、抗折强度、干密度、吸水率和导热系数的测量结果。对于A 组、B 组、C 组试件，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，泡沫混凝土试件的28d 抗压强度和28d 抗折强度呈现先增加后减小特征，干密度、吸水率和导热系数逐渐减小，A3、B3、C3 试件分别具有最大的28d 抗压强度和28d 抗折强度。可见，三组试件的28d 抗压强度和28d 抗折强度，以及干密度、吸水率和导热系数随着聚乙烯醇纤维含量增加的变化趋势相同。在聚乙烯醇纤维增强泡沫混凝土制备过程中，其干密度主要与孔隙率有关［6］，A3 试件具有较小的干密度和较小的孔隙率，而继续添加聚乙烯醇纤维含量会在一定程度上限制泡沫在混凝土中的膨胀与上浮，从而减少了泡沫在混凝土中的分布［7］，因此孔隙数量并不会继续发生大的变化，且此时的抗压强度和抗折强度会有一定程度的降低。此外，从28d 抗压强度和28d 抗折强度测试结果来看，C3 试件＞B3 试件＞A3 试件，且C3 试件具有更小的吸水率和更大的导热系数。

表2 聚乙烯醇纤维增强混凝土的力学性能和保温性能Table 2 Mechanical properties and thermal insulation properties of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

表3 为不同聚乙烯醇纤维含量泡沫混凝土的干燥收缩值测量结果。无论是A 组、B 组还是C 组试件，聚乙烯醇纤维增强混凝土的干燥收缩值都会随着龄期延长而呈现逐渐增加的趋势，28d 试件的干燥收缩值要明显高于其它试件；在相同龄期下，随着聚乙烯醇纤维含量的增加，聚乙烯醇纤维增强混凝土的干燥收缩值呈现先减小后增加的趋势，A3、B3 和C3 试件都具有该组最小的干缩收缩值。此外，对比分析可见，在相同龄期下(1～28 d)，聚乙烯醇纤维增强混凝土的干燥收缩值从大至小顺序为A3 试件＞B3 试件＞C3 试件，即C3 试件具有最小的干燥收缩值。

表3 聚乙烯醇纤维增强混凝土的干燥收缩值（单位：10-6m)Table 3 Drying shrinkage value of PVA fiber reinforced concrete

图1 为冻融循环15 次后A 组试件的表面形貌。对比分析可知，虽然在循环15 次冻融试验后，聚乙烯醇纤维增强混凝土试件表面都存在不同程度的损伤，但是添加聚乙烯醇纤维的混凝土试件的表面剥落［8］现象明显要低于未添加聚乙烯醇纤维的A0 试件，且A3 试件的表面质量相对较好。

图1 冻融循环 15 次后A 组试件的表面形貌Fig.1 Surface morphology of group A samples after 15 freeze-thaw cycles

表4 为不同聚乙烯醇纤维含量的泡沫混凝土的质量损失率和强度损失率测试结果，分别列出了循环冻融5次、10 次和15 次后试件的质量损失率和强度损失率［9］。根据JC/T 2357-2016《泡沫混凝土制品性能试验方法》中的规定，循环冻融试验过程中，混凝土试件的质量损失和强度损失越大，抗冻性能越差［10］。从表4 的测试结果可知，无论是A 组、B 组还是C 组试件，聚乙烯醇纤维增强混凝土的质量损失率和强度损失率都会随着循环次数的增加而增大，且添加聚乙烯醇纤维的混凝土的质量损失率和强度损失率都要小于未添加聚乙烯醇纤维的混凝土，这也说明聚乙烯醇纤维的添加有助于提升泡沫混凝土的抗冻性能。此外，对比A 组、B 组和C 组试件的质量损失率和强度损失率可知，相同聚乙烯醇纤维含量的C 组试件的质量损失率和强度损失率最小，具有相对更好的抗冻性能，但是聚乙烯醇纤维添加量并不是越多越好，在聚乙烯醇纤维含量超过1.2%时，试件的强度损失率反而会有所增大，这可能与此时聚乙烯醇纤维含量过高，混凝土内部结构发生变化有关［11］。另外，值得说明的是，由于泡沫混凝土试件在循环冻融试验前期会出现外部水溶液渗透进混凝土试件中的现象，因此冻融循环5 次时出现了质量损失为负数的现象。

表4 聚乙烯醇纤维增强混凝土的质量损失率和强度损失率测试结果Table 4 Test results of mass loss rate and strength loss rate of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete

图2 为聚乙烯醇纤维增强混凝土A3 试件循环冻融试验后的界面粘结形貌。可见，在进行冻融循环试验前，聚乙烯醇纤维能够增加泡沫混凝土的均匀性并减少应力集中现象；在进行5 次循环冻融试验后，聚乙烯醇纤维的存在可以一定程度上抑制裂纹的萌生和扩展，并且此时泡沫混凝土试件的吸水率会减少并降低水冻产生的膨胀应力［12］；继续增加冻融循环次数，聚乙烯醇纤维与基体之间的粘结界面会逐渐产生裂纹，但是聚乙烯醇纤维的存在可以很大程度上抑制裂纹扩展，从而取得相对未添加聚乙烯醇纤维的泡沫混凝土更好的抗冻性能。

图2 聚乙烯醇纤维增强混凝土循环冻融试验后的界面粘结形貌Fig.2 Interface bonding morphology of PVA fiber reinforced concrete after cyclic freeze-thaw test

3 结论

（1）三组试件的28d 抗压强度和28d 抗折强度、以及干密度、吸水率和导热系数随着聚乙烯醇纤维含量增加的变化趋势相同。从28d 抗压强度和28d 抗折强度测试结果来看，C3 试件＞B3 试件＞A3 试件，且C3 试件具有更小的吸水率和更大的导热系数。

（2）在相同龄期下(1～28 d)，聚乙烯醇纤维增强混凝土的干燥收缩值从大至小顺序为A3 试件＞B3 试件＞C3 试件，即C3 试件具有最小的干燥收缩值。

（3）无论是A 组、B 组还是C 组试件，聚乙烯醇纤维增强混凝土的质量损失率和强度损失率都会随着冻融循环次数的增加而增大，且添加聚乙烯醇纤维的混凝土的质量损失率和强度损失率都要小于未添加聚乙烯醇纤维的混凝土；相同聚乙烯醇纤维含量的C 组试件的质量损失率和强度损失率最小，具有相对更好的抗冻性能，但是聚乙烯醇纤维含量超过1.2%时，试件的强度损失率反而会有所增大。